EGS水岩作用对地热储层孔渗特征影响的模拟研究

鲍新华，苏玉玺，吴永东，，张宇，马丹，霍然

(1.吉林大学 环境与资源学院，吉林 长春 130021;2.山东省城乡建设勘察设计研究院，山东 济南 250000)

EGS水岩作用对地热储层孔渗特征影响的模拟研究

鲍新华1，苏玉玺2，吴永东1，2，张宇1，马丹1，霍然1

(1.吉林大学 环境与资源学院，吉林 长春 130021;2.山东省城乡建设勘察设计研究院，山东 济南 250000)

增强型地热系统(EGS)是一种开发利用深层地热能的工程，在工程的长期运行过程中水岩作用对储层孔渗特征的影响不容忽视。以松辽盆地泉头组流纹岩和青海贵德扎仓沟地区花岗岩为研究对象，借助TOUGHREACT程序模拟EGS水热循环过程中岩性和注入水温度对水岩作用的影响，并分析研究水岩作用引起的储层孔渗特征的变化。结果表明：模拟时间达到10 a时，储层的孔隙度和渗透率在注入井附近增大，在靠近生产井的区域减小。

水岩作用；孔渗特征；增强型地热系统；数值模拟

0引言

地热能是当前全球第三大可再生能源，随着对地热能的开发研究日益深入，地热能开发技术也逐渐成熟。EGS(Enhanced Geothermal System)是一种开发利用深层地热能的工程技术[1]，近年来国内在EGS方面开始由理论研究逐渐向场地试验及应用过渡。在EGS长期运行过程中，有很多因素影响其正常稳定运行，其中水岩作用对储层孔渗特征的影响是一个不可忽视的因素。EGS水岩作用的发生会导致储层矿物发生溶解或沉淀，进而影响热储层的孔渗特征，影响EGS的正常运行以及热提取效率[2]。20世纪70年代，J.L.BISCHOFF等[3]通过模拟预测不同矿物在不同温度下的溶解沉淀情况；A.BALDEYROU等[4]通过水岩作用实验研究苏尔茨干热岩场地矿物溶解沉淀规律及其对储层的影响；E.JACQUOT[5]对苏尔茨地热水循环进行了模拟研究，结果表明长期研究中必须考虑硅酸盐矿物对储层特征的影响。L.ANDRÉ等[6]对苏尔茨深部和浅部储层循环水进行模拟研究，结果表明碳酸盐矿物中方解石水岩作用对储层影响最大。

松辽盆地和青海共和-贵德盆地的大地热流高于全国平均水平，局部地区具有深部地热(干热岩)开采潜力[7]。笔者以松辽盆地流纹岩和青海贵德地区花岗岩为研究对象，通过数值模拟的方法来分析讨论水岩作用对储层孔渗特征的影响。

1概念模型

本次模拟借助多相流体反应性溶质运移模拟程序TOUGHREACT进行，该程序可用于一维、二维和三维孔隙和裂隙介质中的物理、化学反应过程模拟[8]，在矿床形成、地下水污染修复、CO2和核废料地质处置、地热资源开发等研究领域都有广泛应用。

笔者采用“五井式”布井方案对EGS热储层中的水岩作用过程进行模拟研究，因为本布井方案具有对称性，因此可以选取模拟区域的1/8进行研究，见图1。

图1二维概念模型示意Fig.1Schematic diagram of 2D model

图2裂隙多孔介质概化示意Fig.2Schematic representation for the MINC method

模拟中认为储层裂隙是连通的，因此可以认为裂隙中的流体是一个连续统一体，可以通过K.PRUESS[9]的多重介质连续模型来研究流体在裂隙多孔介质中的流动过程，见图2。

K.PRUESS[9]在模型中假设流体只通过裂隙流动，而基质只能和相邻裂隙发生能量传递和物质交换。参考T.XU等[10]的研究，本次模拟中将储层裂隙概化为正交裂隙系统，裂隙间距50 m。

本模拟中忽略了储层的初始水力条件，假设储层中的流体只在注入流体的驱动下流动，通过热储层顶底板只能发生热量交换而不能发生质量交换，即模型上下边界为隔水传热边界，热传递量可根据P.K.W.VINSOME等的经验公式[11]进行计算：

(1)

储层矿物的溶解沉淀会改变储层的孔渗特征，其中孔隙度的变化可根据矿物体积分数的改变计算，渗透率的变化可以根据孔隙度的变化推导(Kozeny-Gaeman球体颗粒模型[12])，具体关系式为

(2)

式中：k为渗透系数；k0为初始渗透系数；φ为孔隙度；φ0为初始孔隙度。

2控制方程

矿物的溶解沉淀状态通过饱和度来判断，饱和度为正值时矿物沉淀，饱和度为负值时矿物溶解，饱和度为0时矿物处于平衡状态。

矿物溶解沉淀的热力学控制方程见式(3)、式(4)，动力学控制方程见式(5)，反应速率常数公式见式(6)[13]：

SIm=log10Ωm=0

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：SIm为矿物饱和指数；m为矿物代号；X表示矿物摩尔分数；Ω为饱和度；λ为热力学活度系数；K为反应动力学常数；r为反应速率；C为物质的量浓度；n为矿物代号；K为反应速率常数；A为反应性比表面积；θ和η一般设置为1；K25为25 ℃的反应速率常数；Ea为活化能；a为活度；R为气体常数；T为绝对温度。

3储层参数

模拟中主要涉及到的热储参数包括储层岩性及矿物组成、储层水化学组分和储层物性参数。流纹岩储层和花岗岩储层的矿物组分见表1，地层水化学组分见表2，储层物性参数见表3。笔者共进行3次模拟：①流纹岩储层20 ℃注入水；②流纹岩储层65 ℃注入水；③花岗岩储层20 ℃注入水。流纹岩储层压力38 MPa，花岗岩储层压力16 MPa。注入水压力高于储层压力2 MPa，生产井压力低于储层压力2 MPa，最大模拟时间10 a。

表1地热储层矿物组成Table 1Mineral composition of geothermal reservoir %

表2地热储层水化学组分

表3地热储层物性参数Table 3Petrophysical parameters of geothermal reservoir

4模拟结果与讨论

低温水注入后，注入井附近的温度大幅度降低；模拟10 a后，注入井附近温度接近注入水温度，生产井附近也有一定的温度下降，见图3。

图3不同模拟时间温度场分布Fig.3Temperature field distributions at different simulation time

图3中以注入井为原点，纵坐标和横坐标表示与注入井的距离(下同)。热储层温度场变化的同时必然伴随着储层岩石矿物的溶解沉淀，本次模拟中主要影响储层孔渗特征的是石英、长石和方解石的溶解沉淀。绿泥石等黏土矿物的溶解沉淀量极小，对储层孔渗特征的影响较为微弱，因此不作具体分析。

模拟过程中石英的溶解沉淀情况如图4，石英在模拟过程中主要表现为沉淀状态。在注入井附近由于温度的降低，石英的溶解度减小导致石英沉淀，并且随着X增加，温度升高，石英沉淀反应速率增大，因此石英的溶解沉淀规律表现为在一定区域内，随着距注入井距离增大，沉淀量随之增大。同时，随着反应的持续进行，石英的沉淀量在不断增长，发生沉淀的区域也有所扩大。模拟10 a后，石英的最大体积分数变化分别为：0.001 8%(模拟1)、0.002 2%(模拟2)、0.001 45%(模拟3)。

注入井附近温度降低，由于方解石的溶解度随温度降低而升高，因此注入井附近方解石表现为溶解状态。随着X增大，温度升高，水中的方解石因溶解度降低而逐渐沉淀。同时，随着反应的持续进行，方解石溶解量明显增大，发生溶解的区域也逐渐扩大，见图5。模拟10 a后，方解石溶解和沉淀量最大时的体积分数变化分别为：① -0.012%(溶解)和0.009%(沉淀)；② -0.012 7%(溶解)和0.001 39%(沉淀)；③ -0.002 35%(溶解)和0.000 59%(沉淀)。

图4石英体积分数变化Fig.4Volume fraction changes of quartz

图5方解石体积分数变化Fig.5Volume fraction changes of calcite

模拟过程中石英的沉淀消耗了流体中的Si，Si浓度的降低促进了长石的溶解。长石发生选择性溶解，钠长石先表现为溶解状态[14]。注入井附近钾长石溶解度减小，使得该区域钾长石沉淀。钾长石的沉淀使得流体中钾离子浓度不断降低，靠近生产井方向钾长石逐渐趋于不饱和，开始表现出溶解状态注入井附近钠长石溶解，使得流体中钠离子含量不断升高，靠近生产井是区域饱和，使得钠长石逐渐转为沉淀状态。随着反应的持续进行，钠长石发生溶解和钾长石发生沉淀的区域都逐渐增大。

钾长石在注入井附近沉淀，在靠近生产井的区域溶解，随着反应时间的延长，沉淀量和发生沉淀的区域都相应增加(图6)。模拟10 a后，钾长石溶解和沉淀量最大时的体积分数变化分别为：① 0.002 3%(沉淀)和-0.000 5%(溶解)；② 0.000 9%(沉淀)和-0.000 4%(溶解)；③ 0.001 54%(沉淀)和-0.001 68%(溶解)。

钠长石在注入井附近表现为溶解状态，在靠近生产井的区域表现为沉淀；并且随着反应时间的延长，钠长石的溶解量和发生溶解的区域相应增大(图7)。模拟至10 a后，钠长石溶解和沉淀量最大时的体积分数变化分别为：① -0.000 8%(溶解)和0.000 3%(沉淀)；② -0.000 8%(溶解)和0.000 3%(沉淀)；③ -0.001 11%(溶解)和0.001 28%(沉淀)。

图6钾长石体积分数变化Fig.6Volume fraction changes of k-feldspar

图7钠长石体积分数变化Fig.7Volume fraction changes of albite

反应过程中矿物不断溶解沉淀，引起孔隙度也发生改变。模拟时间超过5 a后，孔隙度变化较明显。注入井附近孔隙度增加，生产井附近孔隙度减小(图8)。模拟10 a后，孔隙度的最大值和最小值分别为：① 0.500 11、0.499 9；② 0.500 12、0.499 98；③ 0.500 01、0.499 98。

渗透率与孔隙度正相关，其变化趋势和孔隙度相同，见图9。模拟10 a后，渗透率的最大值和最小值分别为：① 5.003×10-14、4.997×10-14m2；② 5.003 5×10-14、4.999 3×10-14m2；③ 8.000 5×10-14、7.999 1×10-14m2。

图8不同运行时间孔隙度分布Fig.8Porosity distributions at different simulation time

图9不同运行时间渗透率分布Fig.9Permeability distributions at different simulation time

5结论

1) 在EGS水岩作用模拟中，石英主要表现为沉淀状态；方解石在注入井附近溶解，朝着生产井方向逐渐沉淀；钾长石在注入井附近沉淀，朝着生产井方向逐渐溶解；钠长石与钾长石的溶解沉淀规律相反。

2) 注入水温度升高，模拟10 a后热储层的孔隙度和渗透率也相应增大，其中花岗岩储层孔隙度和渗透率变化小于流纹岩储层。

3) 方解石体积分数变化最大，并且孔隙度和渗透率的变化特征和方解石的溶解沉淀规律较为吻合，认为储层矿物中方解石的溶解沉淀对储层孔渗特征的影响最为显著。

研究表明，注入井和生产井工作若干年后，井附近会随矿物溶解/沉淀发生孔渗特征改变，影响EGS工程开发效率，建议工作若干年后改变水热循环方向，以降低水岩作用对热储层物性特征的影响。

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(责任编辑：谭绪凯)

Simulation Research on Impact of EGS Water-Rock Interaction on Porosity and Permeability of Geothermal Reservoir

BAO Xinhua1，SU Yuxi2，WU Yongdong1,2，ZHANG Yu1，MA Dan1，HUO Ran1

(1.College of Environment and Resources，Jilin University，Changchun 130021，Jilin，P. R. China;2.Shandong Province Urban and Rural Construction Investigation and Design Institute，Ji’nan 250031，Shandong，P. R. China)

Enhanced Geothermal System (EGS)is a project which develops and uses deep geothermal energy，and the effect of water-rock interaction on reservoir porosity and permeability in the long-term operation of EGS can’t be ignored.Taking rhyolite in Songliao basin and granite in Zhacanggou at Guide County in Qinghai as the research object，the influence of lithology and injection water temperature on water rock interaction during EGS hydrothermal cycle was simulated by means of TOUGHREACT program，and the change of reservoir porosity and permeability caused by water-rock interaction was also analyzed.The results show that when the simulation time reaches ten years，the porosity and permeability increase at the area near the injection well and decrease at the area near the production well.

water-rock interaction; porosity and permeability; EGS (Enhanced Geothermal System); numerical simulation

P641

A

1674-0696(2017)10-076-07

2016-06-08；

2017-02-10

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA052801)

鲍新华(1963—)，山东菏泽人，男，副教授，博士，主要从事地热及水文地质方面的研究。E-mail：bxinhua@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.13